东方时讯网对于装在三磅重的成年人脑中的所有无与伦比的、并行处理的、仍然无法区分的魔法巫术，它遵循与它控制的其他活体组织相同的规则：氧气是必须的。
垂直于铁电材料表面的中性畴壁(左)和平行于表面的带电壁(右)的渲染图。红色箭头代表正电荷，蓝色箭头代表负电荷。图片来源：SpringerNature
因此，EvgenyTsymbal带着一丝讽刺意味地解释了一个技术奇迹——可移动的、覆盖数据的墙只有原子宽——最终可能会帮助计算机表现得更像大脑。
“有明确的证据表明氧空位是造成这种情况的原因，”内布拉斯加大学林肯分校乔治霍姆斯大学物理学和天文学教授Tsymbal说。
通过与中国和新加坡的同事合作，Tsymbal和一些Husker校友展示了如何构建、控制和解释适用于下一代电子产品的纳米级薄材料的缺氧壁。
与大多数只说1和0二进制数的数字数据写入和读取技术不同，这些墙可以用几种电子方言说话，这可以让容纳它们的设备存储更多数据。
就像大脑中的突触一样，通过墙壁发送的电尖峰的通过可能取决于之前通过了哪些信号，从而使它们具有更类似于人类记忆的适应性和能量效率。就像大脑即使在用户睡觉时也能保持记忆一样，即使他们的设备关闭，墙壁也能保留他们的数据状态——这是电子产品的先驱，可以像光一样快速和简单地重新启动。
该团队研究了一种名为铁酸铋的纳米材料中的屏障粉碎壁，这种材料可以被切成比人的头发薄数千倍的薄片。铁酸铋还拥有一种被称为铁电性的罕见品质：只需施加一点电压，即可翻转其正电荷和负电荷的极化或分离，在此过程中写入1或0。
与传统的DRAM不同，动态随机存取存储器需要每隔几毫秒刷新一次，即使在电压被移除时，1或0仍然存在，使其相当于DRAM所缺乏的长期记忆。
通常，该极化被读取为一或零，并在称为域的材料区域中翻转以将其重写为零或一。两个相反极化的域相遇形成一堵墙，它只占据了专用于域本身的空间的一小部分。
这些壁的几个原子厚度，以及有时在它们内部或周围出现的不寻常特性，使它们成为寻找新方法以将更多功能和存储压缩到缩小设备中的主要嫌疑人。
尽管如此，事实证明，与铁电材料表面平行的壁——以及净电荷可用于数据处理和存储——很难找到，更不用说调节或创造了。
但大约四年前，Tsymbal开始与新加坡国立大学的JingshengChen和中国浙江大学的何田交谈。当时，田和一些同事开创了一种技术，使他们能够在原子尺度上施加电压，即使他们实时记录了逐个原子的位移和动力学。
最终，该团队发现，仅向铁氧体铋薄膜施加1.5伏特的电压就会产生一个平行于材料表面的畴壁——一个具有特定电阻值的磁畴壁，其值可以作为数据状态读取。当撤掉电压时，墙壁及其数据状态仍然存在。
当团队提高电压时，畴壁开始向下迁移材料，这种行为在其他铁电体中也能见到。然而，其他材料中的壁随后垂直于表面传播，而这种材料保持平行。
与它的任何前辈不同，这堵墙采取了缓慢的步伐，一次只移动一个原子层。反过来，它的位置与其电阻的变化相对应，电阻在施加8伏和10伏电压之间分三个不同的步骤下降——三个更易读的数据状态。
研究人员已经确定了几个W's——什么、哪里、什么时候——对于最终在电子设备中使用这种现象至关重要。但他们仍然缺少一个。Tsymbal碰巧是少数有资格解决这个问题的人之一。
“有一个谜题，”Tsymbal说。“为什么会这样?这就是理论发挥作用的地方。”
大多数畴壁是电中性的，既不带正电荷也不带负电荷。这是有充分理由的：中性墙需要很少的能量来维持其电气状态，实际上使其成为默认状态。
相比之下，该团队在超薄铁酸铋中发现的畴壁带有大量电荷。而且，Tsymbal知道，应该阻止它稳定和持续存在。然而不知何故，它设法做到了这一点，似乎无视凝聚态物理学的规则。
必须有一个解释。在他之前的研究中，Tsymbal和他的同事发现，带负电的氧原子的离开，以及它们留下的带正电的空位，可能会阻碍技术上有用的结果。
这一次，Tsymbal的理论支持计算得出了相反的结论——带正电荷的空位正在补偿壁上积累的其他负电荷，在这个过程中实质上是在强化它。
该团队后来的实验测量表明，材料中的电荷分布几乎与畴壁的位置完全一致，正如计算所预测的那样。Tsymbal说，如果氧空位出现在其他铁电游乐场，它们可能对更好地理解和设计包含珍贵材料类别的设备至关重要。
“在我看来，这是最令人兴奋的，”Tsymbal说，他在该大学以量子为重点的EQUATE项目的支持下进行了这项研究。“这将铁电与电化学联系起来。我们有某种电化学过程——即氧空位的运动——它基本上控制着这些畴壁的运动。
“我认为这种机制非常重要，因为大多数人——包括我们在内——在理论上正在做的是研究原始材料，在这些材料中，极化会上下切换，并研究电阻会发生什么。这种行为的所有实验解释都是基于这种简单的极化图。但在这里，不仅仅是两极分化。它涉及其中的一些化学过程。”